site logo

Важность ширины линии печатной платы в дизайне печатной платы

Какая ширина линии?

Давайте начнем с основ. Что такое ширина следа? Почему важно указывать конкретную ширину следа? Цель печатная плата проводка предназначена для подключения любого вида электрического сигнала (аналогового, цифрового или силового) от одного узла к другому.

Узел может быть штифтом компонента, ветвью более крупной трассы или плоскости, или пустой контактной площадкой или контрольной точкой для зондирования. Ширина дорожек обычно измеряется в милах или тысячах дюймов. Стандартная ширина проводки для обычных сигналов (без особых требований) может составлять несколько дюймов в диапазоне 7–12 мил, но при определении ширины и длины проводки следует учитывать множество факторов.

ipcb

Приложение обычно определяет ширину разводки и тип разводки при проектировании печатной платы и в какой-то момент обычно уравновешивает стоимость производства печатной платы, плотность / размер платы и производительность. Если к плате предъявляются особые требования к конструкции, такие как оптимизация скорости, подавление шума или связи, или высокий ток / напряжение, ширина и тип дорожки могут быть более важными, чем оптимизация стоимости производства печатной платы без покрытия или общего размера платы.

Спецификация, относящаяся к электромонтажу при производстве печатных плат

Обычно следующие спецификации, относящиеся к проводке, начинают увеличивать стоимость производства голой печатной платы.

Из-за более строгих допусков на печатные платы и наличия высококачественного оборудования, необходимого для производства, проверки или тестирования печатных плат, затраты становятся довольно высокими:

L Ширина следа менее 5 мил (0.005 дюйма)

L Расстояние следа менее 5 мил

L Сквозные отверстия диаметром менее 8 мил.

L Толщина следа меньше или равна 1 унции (равна 1.4 мил)

L Дифференциальная пара и контролируемая длина или сопротивление проводки

Конструкции с высокой плотностью размещения, сочетающие занимаемое пространство на печатной плате, такие как BGA с очень мелким разнесением или параллельные шины с большим количеством сигналов, могут потребовать ширины линии 2.5 мил, а также специальных типов сквозных отверстий диаметром до 6 мил, например как просверленные лазером микропроходные отверстия. И наоборот, для некоторых мощных конструкций может потребоваться очень большая проводка или плоскости, потребляющие целые слои и наливающие унции, которые толще стандартных. В приложениях с ограниченным пространством могут потребоваться очень тонкие пластины, содержащие несколько слоев, и ограниченная толщина медной отливки в пол унции (толщина 0.7 мил).

В других случаях конструкции для высокоскоростной связи от одного периферийного устройства к другому могут потребовать проводки с контролируемым импедансом и определенной шириной и расстоянием между собой, чтобы минимизировать отражение и индуктивную связь. Или конструкция может потребовать определенной длины для согласования с другими соответствующими сигналами в шине. Приложения с высоким напряжением требуют определенных функций безопасности, таких как минимизация расстояния между двумя открытыми дифференциальными сигналами для предотвращения образования дуги. Независимо от характеристик или функций, определения трассировки важны, поэтому давайте рассмотрим различные приложения.

Различная ширина и толщина проводки

PCBS обычно содержат линии различной ширины, поскольку они зависят от требований к сигналу (см. Рисунок 1). Показанные более тонкие кривые предназначены для сигналов уровня общего назначения TTL (транзисторно-транзисторная логика) и не имеют специальных требований для защиты от сильных токов или помех.

Это будут самые распространенные типы проводки на плате.

Более толстая проводка была оптимизирована с учетом допустимой нагрузки по току и может использоваться для периферийных устройств или функций, связанных с питанием, которые требуют более высокой мощности, таких как вентиляторы, двигатели и регулярное переключение мощности на компоненты более низкого уровня. В верхней левой части рисунка даже показан дифференциальный сигнал (высокоскоростной USB), который определяет конкретный интервал и ширину для удовлетворения требований к сопротивлению 90 Ом. На рис. 2 показана немного более плотная печатная плата, состоящая из шести слоев и требующая сборки BGA (шариковой решетки), которая требует более тонкой разводки.

Как рассчитать ширину линии печатной платы?

Давайте рассмотрим процесс вычисления определенной ширины следа для сигнала мощности, который передает ток от компонента питания к периферийному устройству. В этом примере мы рассчитаем минимальную ширину линии силового тракта для двигателя постоянного тока. Тракт питания начинается от предохранителя, пересекает H-образный мост (компонент, используемый для управления передачей мощности через обмотки двигателя постоянного тока) и заканчивается на разъеме двигателя. Средний длительный максимальный ток, требуемый двигателем постоянного тока, составляет около 2 ампер.

Теперь проводка печатной платы действует как резистор, и чем длиннее и уже проводка, тем больше сопротивления добавляется. Если проводка определена неправильно, сильный ток может повредить проводку и / или вызвать значительное падение напряжения на двигателе (что приведет к снижению скорости). NetC21_2, показанный на рисунке 3, имеет длину около 0.8 дюйма и должен выдерживать максимальный ток 2 ампера. Если мы примем некоторые общие условия, такие как заливка 1 унции меди и комнатная температура во время нормальной работы, нам нужно рассчитать минимальную ширину линии и ожидаемое падение давления на этой ширине.

Как рассчитать сопротивление проводки печатной платы?

Следующее уравнение используется для площади следа:

Площадь [Мил ²] = (ток [Ампер] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), что соответствует критерию внешнего слоя (или верхнего / нижнего) IPC, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Обратите внимание, что единственная переменная, которую нам действительно нужно вставить, – это текущая.

Использование этой области в следующем уравнении даст нам необходимую ширину, которая говорит нам о ширине линии, необходимой для передачи тока без каких-либо потенциальных проблем:

Ширина [мил] = площадь [мил ^ 2] / (толщина [унция] * 1.378 [мил / унция]), где 1.378 относится к стандартной толщине заливки в 1 унцию.

Вставив 2 ампера тока в приведенный выше расчет, мы получим минимум 30 мил проводки.

Но это не говорит нам, каким будет падение напряжения. Это сложнее, потому что необходимо рассчитать сопротивление провода, что можно сделать по формуле, показанной на рисунке 4.

В этой формуле ρ = удельное сопротивление меди, α = температурный коэффициент меди, T = толщина дорожки, W = ширина дорожки, L = длина дорожки, T = температура. Если ввести все соответствующие значения в длину 0.8 дюйма и ширину 30 мил, мы обнаружим, что сопротивление проводки составляет около 0.03 Ом. И он снижает напряжение примерно на 26 мВ, что нормально для этого приложения. Полезно знать, что влияет на эти значения.

Расстояние между кабелями печатной платы и длина

Для цифровых проектов с высокоскоростной связью могут потребоваться определенные интервалы и отрегулированная длина, чтобы минимизировать перекрестные помехи, связь и отражение. Для этой цели наиболее распространенными приложениями являются последовательные дифференциальные сигналы на основе USB и параллельные дифференциальные сигналы на основе RAM. Обычно для USB 2.0 требуется дифференциальная маршрутизация со скоростью 480 Мбит / с (высокоскоростной класс USB) или выше. Отчасти это связано с тем, что высокоскоростной USB обычно работает при гораздо более низких напряжениях и перепадах, приближая общий уровень сигнала к фоновому шуму.

При прокладке высокоскоростных USB-кабелей следует учитывать три важных момента: ширину проводов, расстояние между выводами и длину кабеля.

Все это важно, но самое важное из трех – убедиться, что длины двух линий максимально совпадают. Как правило, если длины кабелей отличаются друг от друга не более чем на 50 мил (для высокоскоростного USB), это значительно увеличивает риск отражения, что может привести к ухудшению связи. Согласующий импеданс 90 Ом является общей спецификацией для разводки дифференциальной пары. Для достижения этой цели трассировку следует оптимизировать по ширине и расстоянию.

На рисунке 5 показан пример дифференциальной пары для подключения высокоскоростных интерфейсов USB, которая содержит проводку шириной 12 мил с интервалами 15 мил.

Интерфейсы для компонентов на основе памяти, которые содержат параллельные интерфейсы (например, DDR3-SDRAM), будут более ограничены с точки зрения длины проводов. Большинство высокопроизводительных программных продуктов для проектирования печатных плат будет иметь возможность регулировки длины, которая оптимизирует длину линии для соответствия всем соответствующим сигналам на параллельной шине. На рисунке 6 показан пример схемы DDR3 с разводкой для регулировки длины.

Следы и плоскости грунтовой засыпки

Для некоторых приложений с чувствительными к шуму компонентами, такими как беспроводные микросхемы или антенны, может потребоваться небольшая дополнительная защита. Проектирование проводки и плоскостей со встроенными отверстиями для заземления может значительно помочь свести к минимуму связь ближайшей проводки или захвата плоскости и внешних сигналов, которые проникают в края платы.

На рис. 7 показан пример модуля Bluetooth, размещенного рядом с краем пластины, с антенной (через нанесенную трафаретной печатью маркировку «ANT») за толстой линией, содержащей встроенные сквозные отверстия, соединенные с пластом заземления. Это помогает изолировать антенну от других бортовых цепей и плоскостей.

Этот альтернативный метод прокладки через землю (в данном случае многоугольная плоскость) может использоваться для защиты схемы платы от внешних внешних беспроводных сигналов. На рисунке 8 показана чувствительная к шуму печатная плата с заземленной заделанной плоскостью со сквозным отверстием по периферии платы.

Лучшие практики для разводки печатных плат

Многие факторы определяют характеристики проводки поля печатной платы, поэтому обязательно следуйте передовым методам при подключении следующей печатной платы, и вы найдете баланс между стоимостью печатной платы, плотностью цепи и общей производительностью.